PALI TRIVELLATI
A GRANDE DIAMETRO,
CON ELICA CONTINUA
E MICROPALI
Paolo Simonini
Università degli Studi di Padova
Dipartimento IMAGE
PALI A TRIVELLATI
A GRANDE DIAMETRO
IN TERRENI GRANULARI
PROGETTO DI PALI A
GRANDE DIAMETRO
¾ Il progetto è caratterizzato ancor oggi da un elevato
grado di approssimazione
¾ I calcoli condotti con diversi metodi conducono a
valori della capacità portante molto diversi tra loro
¾ Il comportamento in sito è fortemente condizionato
dalle modalità esecutive che alterano le caratteristiche del terreno di fondazione
¾ La sperimentazione su pali è quindi necessaria
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
3
CAPACITÀ PORTANTE
¾ La capacità portante limite è data da
Q lim = Qb + Qs = Ab qb + As qs
dove Qb è la capacità portante di punta e Qs la
capacità portante per attrito laterale
¾ Nell’espressione precedente, qb e qs sono,
rispettivamente, i valori unitari delle resistenza di
punta e della resistenza laterale. Ab ed As sono le
superfici sulle quali esse agiscono
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
4
MOBILITAZIONE DEI DUE CONTRIBUTI
DI CAPACITÀ PORTANTE
¾ Resistenza laterale: il meccanismo di mobilitazione interessa
una zona anulare relativamente sottile intorno al palo,
deformata in condizioni di taglio fino al raggiungimento
della resistenza limite, con spostamenti non superiori a 15-30
mm, indipendentemente dal diametro del palo
¾ Resistenza alla punta: per mobilitarla sono necessari
spostamenti elevati, di decine di centimetri. Ciò è dovuto sia
alle dimensioni elevate della punta, che coinvolge una vasta
zona di terreno sotto di essa, sia al rilascio tensionale ed al
rimaneggiamento del terreno conseguenti alle operazioni
necessarie per la realizzazione del palo
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
5
SCHEMATIZZAZIONE DEL COMPORTAMENO
DEL PALO IN BASE ALL’INTERAZIONE TRA
LE DUE COMPONENTI
a) La resistenza laterale
rappresenta la componente
predominante: tale
circostanza si manifesta
quando qs>>qb e/o As>> Ab
b) La resistenza alla punta è
prevalente rispetto a quella
laterale: questo caso si
verifica se qs<<qb e/o
As<<Ab
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
6
CAPACITÀ PORTANTE DI PUNTA
¾ La resistenza massima di punta nei pali trivellati a
grande diametro si mobilita per spostamenti
proporzionali al diametro del palo, pari a circa il 25%
del diametro stesso
¾ Per il palo trivellato a grande diametro essa rappresenta
un’aliquota significativa del carico limite
¾ Per questi motivi, il progetto dei pali a grande diametro
è basato sulla considerazione di uno stato limite di
servizio, che può essere scelto in corrispondenza ad un
cedimento di esercizio assunto pari al 5% o al 10% del
diametro (Franke, 1989)
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
7
DETERMINAZIONE DELLA CAPACITÀ
PORTANTE DI PUNTA IN TERRENO
GRANULARE
Approccio teorico di Berezantev et al. (1965)
qb = N qσ 'vL
Nq= fattore di capacità portante, funzione
dell’angolo di attrito del terreno
σ’vL= tensione verticale litostatica alla punta
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
8
PROFONDITA’ CRITICA - EFFETTO SILO
¾ La resistenza di punta non
cresce linearmente con la
profondità, ma si mantiene
costante sotto la profondità
critica
¾ Berezantev et al. (1965)
giustificano il fenomeno
con la presenza di un effetto
silo, per il quale la tensione
alla punta è inferiore a
quella litostatica
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
9
FATTORE DI CAPACITÀ PORTANTE
MODIFICATO
¾ Berezantev et al. (1965)
propongono di utilizzare il
valore della tensione alla
punta in corrispondenza del
quale si verificano nel
terreno le prime
deformazioni plastiche,
per cedimenti compresi tra
6-10% del diametro del
palo
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
10
CAPACITÀ PORTANTE DI PUNTA IN
TERRENO GRANULARE
Approccio basato su prove in sito - SPT
¾ Wright e Reese (1988)
hanno proposto di
utilizzare il valore del
numero di colpi NSPT della
prova SPT per calcolare la
resistenza di punta plim=qb
facendo riferimento ad uno
stato limite di servizio al
quale corrisponde un
cedimento del 5% del
diametro del palo
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
11
CAPACITÀ PORTANTE DI PUNTA IN
TERRENO GRANULARE
Approccio basato su prove in sito - CPT
La capacità portante di progetto può essere
calcolata con la relazione
qb = αqc
nella quale α =0.10-0.16 per spostamenti pari al
5% del diametro o α =0.14-0.25 per spostamenti
pari al 10%
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
12
DETERMINAZIONE DELLA RESISTENZA
LATERALE
¾ I pali trivellati in esercizio mobilitano
prevalentemente l’attrito laterale
¾ Per il calcolo si fa riferimento a due
approcci
¾ Approccio in termini di tensioni efficaci
¾ Approccio basato sui risultati di prove in sito
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
13
APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI
EFFICACI
¾ In questo caso, la resistenza laterale
unitaria viene espressa in funzione della
tensione verticale efficace
¾ E’ possibile distinguere tra due diversi
metodi nell’applicazione dell’approccio in
termini di tensioni efficaci
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
14
APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI
EFFICACI : 1° METODO
¾ L’attrito
laterale in un terreno granulare
omogeneo cresce linearmente con la profondità
fino al raggiungimento del valore massimo
corrispondente alla profondità critica, oltre la
quale si mantiene costante
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
15
APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI
EFFICACI : 1° METODO
¾ La resistenza laterale unitaria fs è:
qs = σ 'h ⋅ tan δ = k ⋅ σ 'v ⋅ tan δ
ƒ σ‘h= tensione efficace orizzontale
ƒ σ‘v = tensione efficace verticale
ƒ k = coefficiente di spinta
ƒ δ = l’angolo di attrito relativo palo-terreno
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
16
APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI
EFFICACI : 1° METODO
¾ k = coefficiente di spinta che si genera durante
lo scorrimento relativo palo-terreno, funzione
del comportamento volumetrico del terreno
ƒ k = 0.4-0.7
(Raccomandazioni dell’AGI)
ƒ k = (1-sinφ’)tanφ’; φ‘= 30-45° ⇒ k =0.29
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
17
APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI
EFFICACI: 2° METODO (Metodo β)
¾ Metodo β (Reese e O’Neill, 1988): l’attrito laterale può
essere calcolato con la relazione (con la limitazione qs ≤
0.2 MPa):
qs = βσ v '
¾ Reese e O’Neill indicano il seguente andamento di β
con la profondità:
β = 1. 5 − 0. 245 ⋅ z 0.5
•
0. 25 ≤ β ≤ 1. 20
z=profondità in metri. Per z≥26 m viene ipotizzato
che l’attrito laterale resti costante, pari al valore
calcolato per z=26 m
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
18
APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI
EFFICACI : 2° METODO
¾ β è indipendente dal
diametro del palo, dalla
falda e
dall’angolo di
attrito di picco
¾ Eq. (5): metodo di Reese e
O’Neill
¾ (
• = da prove di carico in
diversi siti italiani)
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
19
APPROCCIO IN TERMINI DI TENSIONI
EFFICACI: 2° METODO
¾ La formulazione di Reese e O’Neill prevede sia il
mancato aumento della resistenza laterale a partire
dalla profondità critica sia la crescita della stessa
salendo verso la superficie
¾ Quest’ultima circostanza è dovuta principalmente ai
seguenti effetti:
- diminuzione dell’angolo di attrito a causa della
riduzione della dilatanza con la profondità
- incremento dell’effetto arco con la profondità
- maggiore effetto di interdigitazione tra calcestruzzo
e terreno nelle zone più superficiali del terreno
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
20
APPROCCIO BASATO SUI
RISULTATI DI PROVE IN POSTO
¾ Tra i metodi basati sui risultati di prove in sito,
quelli di più comune applicazione utilizzano i
risultati di prove di penetrazione statica CPT o
dinamica SPT
¾ Le correlazioni, di natura empirica, legano la
resistenza laterale alla resistenza di punta qc o al
numero di colpi NSPT
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
21
Prova CPT
Bustamante e Gianeselli (1992)
L = limite inferiore;U = limite superiore
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
22
Prova SPT
Una delle correlazioni di impiego più frequente
è quella proposta da Meyerhof (1976),
successivamente confermata da Shioi e Fukui
(1982) (qs in kN/m2) :
qs = N SPT
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
23
SPERIMENTAZIONE IN GRANDE
SCALA - Briaud et al. (1992)
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
24
SPERIMENTAZIONE IN GRANDE
SCALA
¾ I due pali prova hanno diametro nominale di 0.92 m e
lunghezze di 10.4 e 10.8 m
¾ Sono
completamente gettati in una formazione
sabbiosa presente fino a 13.4 m di profondità
¾ In entrambi i casi lo scavo è avvenuto in presenza di
fanghi bentonitici e per il getto successivo si è ricorsi
al sistema convogliatore dal basso (contractor)
¾ I pali sono
stati strumentati per la misura delle
deformazioni locali con estensimetri a corda vibrante
immersi nel getto di calcestruzzo
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
25
PALO “A REGOLA D’ARTE”
(Palo N. 1)
Il palo è stato eseguito “a regola
d’arte”, al fine di ottenere un
fusto privo di difetti che
servisse come palo di
riferimento.
Si è riscontrato un leggero
allargamento della sezione nella
zona di terreno sopra la falda,
stimato, attraverso la misura dei
volumi di calcestruzzo gettato,
in circa il 30% dell’area della
sezione teorica.
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
26
PALO CON DIFETTI (Palo N. 2)
A trivellazione ultimata, lo scavo è stato lasciato aperto
durante il fine settimana con i fanghi all’interno. A causa
della pressione dei fanghi sulle pareti del foro si è
formata una pellicola di spessore superiore a quella
usuale, variabile localmente da 6 a 13 mm.
In aggiunta la sabbia, mescolata ai fanghi durante le
operazioni di perforazione, è sedimentata, formando, a
fondo foro, un deposito di terreno rimaneggiato di 30.5
cm di spessore. Alla ripresa dei lavori, il getto è stato
eseguito direttamente sul deposito di fondo.
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
27
PALO CON DIFETTI (Palo N. 2)
Durante il getto, a 5.5 m di profondità dalla superficie, il
tubo convogliatore è stato sollevato a 1.5 m sopra il
livello del calcestruzzo nel foro, continuando a iniettare
calcestruzzo, che, conseguentemente, si è miscelato al
fango bentonitico.
Successivamente il tubo è stato immerso nuovamente,
terminando le operazioni di getto. Con l’operazione di
sollevamento temporaneo si è generata una
contaminazione artificiale del calcestruzzo con i fanghi
bentonitici.
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
28
PALO CON DIFETTI (Palo N. 2)
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
29
PROVE DI CARICO SU PALO
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
30
DISTRIBUZIONE DEL CARICO LUNGO IL
FUSTO (Palo N. 1 e Palo N. 2)
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
31
DISTRIBUZIONE ATTRITO LATERALE
(Palo N. 1)
Sulla base dei risultati delle misure eseguite sono stati
calcolati, per il palo N. 1, i valori del rapporto tra la
resistenza laterale unitaria e la tensione verticale
efficace (fattore β) lungo tre tratti di palo
Prof.
(m)
0.0-3.0
3.0-6.0
6.0-9.0
qs
2
(kN/m )
108
160
92
σ ‘v
2
(kN/m )
26
77
128
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
β =qs/σ ‘v
4.16
2.11
0.72
32
ANALISI DI AFFIDABILITÀ DEI
METODI DI CALCOLO
Valori dell’attrito laterale per i pali N. 1 e N. 2, calcolati
utilizzando il metodo tradizionale, il metodo β e quello
basato sui risultati delle CPT e SPT
Metodo di calcolo
della resistenza
laterale
qs=(1-sinφ‘)tanφ‘σ‘v
qs=βσ‘v
qs=f(qc) (fig. 3)
2
qs=NSPT (kN/m )
Misurato
Qs (kN)
Qs (kN)
Palo N. 1 Palo N. 2
L=10.4 m L=10.8 m
790
850
2390
2520
≈2300
≈2400
≈450
≈470
3350
250
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
PALI TRIVELLATI CON
ELICA CONTINUA
33
ESECUSIONE DI PALO AD ELICA
¾ La perforazione viene eseguita
avanzando nel terreno, sotto l’azione
di una forza assiale e di una coppia,
una trivella ad elica continua con
l’asta centrale cava chiusa con una
puntazza a perdere
¾ La penetrazione avviene quasi
senz’asportazione di terreno e con
una modesta compressione
¾ Alla profondità desiderata si inizia il
getto di cls in pressione dall’asta
cava centrale.
Contemporaneamente si solleva la
trivella ruotandola lentamente nel
senso dell’avanzamento
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
35
VARI TIPI DI PALO AD ELICA
¾ Palo gettato in opera tipo Atlas (con o senza
rivestimento)
¾ Palo gettato in opera tipo Ω-Omega
¾ Palo De Vaal, SPIRE, Trelicon
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
36
PALO ATLAS
¾ Viene realizzato avvitando ed infiggendo nel terreno un
tubo di acciaio alla testa del quale è posta la trivella ad
elica che sposta il terreno mentre avanza
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
37
PALO ATLAS
¾ Diametro esterno: 530-810 mm
Lunghezza: 22 m
Produttività: 120-150 m/8h
¾ Prima del getto viene posta
l’armatura per tutta la lunghezza
¾ Vantaggi:
Basso costo
Velocità esecutiva
Assenza di vibrazioni
¾ Ottima capacità portante legata al
processo di spostamento laterale
che evita il rilascio tensionale del
terreno
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
38
PALO Ω-Omega
¾ E’ una tecnica molto recente basata
sull’esperienza con il palo Atlas:
utilizza una lunga elica accoppiata
ad una controelica per lo
spostamento del terreno durante
l’avvitamento
¾ Tale configurazione dell’attrezzo
scavante assicura che non vi sia
rimozione del terreno fino alla
superficie
¾ La testa Ω viene infissa con sistema
idraulico
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
39
PALO Ω-Omega
¾ Dopo aver posto in opera
l’armatura, il calcestruzzo viene
pompato in pressione mentre si
estrae l’elica
¾ Durante l’esecuzione vengono
tenuti sotto controllo: velocità di
penetrazione, coppia torcente,
profondità e quantità di
calcestruzzo iniettata
¾ Diametro esterno: 310-660 mm
Lunghezza standard: 30 m
Produttività: 120-200 m/8h
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
40
PARAMETRI CHE INFLUENZANO
L’INSTALLAZIONE
¾ Tipo di terreno e posizione della falda:
falda nei terreni
saturi coesivi teneri e sabbiosi sciolti
l’esecuzione è molto agevole mentre nei terreni
sabbiosi densi o coesivi fortemente
sovraconsolidati può risultare problematica
¾ Energia applicata: la quantità di energia richiesta
dipende dal diametro della testa elicoidale e dal
tipo di terreno (l’energia è in parte dissipata per
spostare lateralmente il terreno e in parte per
attrito)
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
41
PARAMETRI CHE INFLUENZANO
L’INSTALLAZIONE
¾ Forma della testa elicoidale: angolo, passo e
conicità dell’elica sono parametri importanti ma
non determinanti
¾ Coppia torcente: la massima coppia disponibile è
di grande importanza; attrezzature recenti sono in
grado di sviluppare coppie di 400-450 kNm
¾ Tecnologia di getto:
getto fluidità del cls e pressione di
pompaggio sono fondamentali anche per evitare
la formazione di difetti nel fusto
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
42
OSSERVAZIONI – VANTAGGI DEL PALO
GETTATO IN OPERA CON ELICA CONTINUA
¾ Basso costo, perché necessita di pochi operatori
¾ Rapidità di installazione (80-200 m/8h)
¾ Disturbo limitato: assenza di vibrazioni e bassa rumorosità
dell’attrezzatura che lo rende idoneo all’uso nei centri
urbani
¾ Elevata capacità portante, risultante da un processo di
spostamento laterale del terreno per tutta la profondità del
palo
¾ Risposta rigida in esercizio in condizioni di carico statico,
molto simile a quella di un palo battuto
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
MICROPALI
43
TIPI DI MICROPALI
¾ Si definiscono micropali i pali trivellati di piccolo
diametro (D< 250 mm) realizzati con attrezzature e
tecnologie particolari
¾ I tipi fondamentali sono due:
ƒ PALO RADICE,
RADICE che riproduce la tecnica dei pali
trivellati di medio diametro, ma con getto in pressione
ƒ PALO TUBFIX,
TUBFIX ottenuto per trivellazione e getto
attraverso un tubo di acciaio valvolato e cementato al
terreno
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
45
MICROPALO RADICE
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
46
MICROPALO RADICE
¾ Diametro: 80 –250 mm
¾ Carico ammissibile può essere valutato
assumendo una tasso di lavoro di circa 12 MPa
per l’intera sezione del palo
¾ Carichi massimi: da 60-80 kN per i diametri più
piccoli fino a 500-700 kN per i diametri maggiori
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
47
MICROPALO TUBFIX
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
48
MICROPALO TUBFIX
¾ Tubo armatura, con valvole di non-ritorno ad
interasse 30-50 cm, valvolato in corrispondenza
agli strati dove si intende trasmettere il carico
¾ La presenza della guaina consente l’iniezione di
malta cementizia con pressioni fino ad alcune
decine di atmosfere: si realizzano così in
corrispondenza delle valvole una serie di
sbulbature che comprimono il terreno e
assicurano una elevata resistenza di attrito
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
49
ESEMPIO APPLICATIVO
¾ Fondazioni delle pile di un viadotto a Trieste
costituite da plinti su pali di piccolo diametro
¾ Pali del diametro di 250 mm e lunghezza di 8-12
m, con armatura tubolare 114/8.8 mm, immorsati
per 1-2 m nel substrato flyschoide marnosoarenaceo esistente sotto una copertura argillosa
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
50
ESEMPIO APPLICATIVO
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
51
ESEMPIO APPLICATIVO – PROVE DI
PROGETTO
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
52
ESEMPIO APPLICATIVO
¾ Fondazioni di un serbatoio per acquedotto su versante.
Carico ammissibile di progetto 400 kN.
¾ Pali del diametro di 180 mm e lunghezza di 10 m, con
punta immorsata per 2 m in roccia integra e per 2 m in
roccia fratturata presente sotto una copertura detritica di
materiale di grossa e media pezzatura
¾ Micropali armati con tubo 127 /12.5 mm, valvolati con
passo 50 cm e iniettati in pressione; pressione di scoppio
delle valvole circa 15-20 atm
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
53
ESEMPIO APPLICATIVO - Contrasto
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
54
ESEMPIO APPLICATIVO - Contrasto
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
55
ESEMPIO APPLICATIVO - Martinetto
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
56
ESEMPIO APPLICATIVO: Prova di carico
spinta a 1.5 volte il carico di esercizio
Master Rovigo 2006 - Simonini - Pali
trivellati e micropali
57